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2025 | Buch

Einführung in die Funktionalanalysis

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Über dieses Buch

Das vorliegende Lehrbuch bietet eine kompakte Einführung in die Theorie der Funktionalanalysis und ist begleitend für eine vierstündige Vorlesung im Bachelorstudium konzipiert. Es spannt den Bogen von den topologischen Grundlagen aus der Analysis-Grundvorlesung bis zur Spektraltheorie in Hilberträumen; besondere Aufmerksamkeit wird dabei den zentralen Resultaten über Dualräume und schwache Konvergenz geschenkt.

In dieser zweiten Auflage wurden Fehler korrigiert und die Darstellung an einigen Stellen verbessert. Zusätzlich wurden die Aufgaben insbesondere um eine Sammlung von Lernzielfragen als Hilfestellung für das Selbststudium oder für die Prüfungsvorbereitung ergänzt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Topologische Grundlagen

Frontmatter
1. Metrische Räume
Zusammenfassung
Wir fassen zunächst die grundlegenden topologischen Strukturen zusammen, die in der Funktionalanalysis wichtig sind. Die Kernbegriffe sollten aus der Analysis bekannt sein.
Christian Clason
2. Kompakte Mengen
Zusammenfassung
Eine fundamentale metrische Eigenschaft ist die Kompaktheit; salopp gesprochen werden wir sehen, dass stetige Funktionen auf kompakten Mengen ähnlich gute Eigenschaften besitzen wie Funktionen auf endlichen Mengen.
Christian Clason

Lineare Operatoren in normierten Räumen

Frontmatter
3. Normierte Vektorräume
Zusammenfassung
Wir kombinieren nun die in Teil I betrachteten topologischen bzw. metrischen Eigenschaften mit der algebraischen Struktur eines Vektorraums. Wie wir in den nächsten Kapiteln sehen werden, hat insbesondere die Vollständigkeit weitreichende Folgen.
Christian Clason
4. Lineare Operatoren
Zusammenfassung
Wir betrachten nun Abbildungen zwischen normierten Räumen, und nutzen auch hier das Zusammenspiel algebraischer und topologischer Eigenschaften aus.
Christian Clason
5. Das Prinzip der gleichmäßigen Beschränktheit
Zusammenfassung
Wir kommen nun zu einem Herzstück der Funktionalanalysis: aus der Vollständigkeit von Banachräumen folgt, dass bestimmte punktweise Eigenschaften von linearen Operatoren gleichmäßig gelten.
Christian Clason
6. Quotientenräume
Zusammenfassung
Nach dem Hauptsatz der Differential- und Integralrechung besitzt jede stetige Funktion eine Stammfunktion, die bis auf eine Konstante eindeutig ist.
Christian Clason

Dualräume und schwache Konvergenz

Frontmatter
7. Lineare Funktionale und Dualräume
Zusammenfassung
Wir haben bereits gesehen, dass eine wesentliche Schwierigkeit in unendlichdimensionalen Räumen darin besteht, dass die Konvergenz in der Norm nicht äquivalent zu einer komponentenweisen Konvergenz ist.
Christian Clason
8. Der Satz von Hahn–Banach
Zusammenfassung
Wir kommen nun zu einem zweiten Fundamentalprinzip der Funktionalanalysis, das algebraische und topologische Begriffe verknüpft: Linearität und Stetigkeit sind verträglich in dem Sinn, dass man ein auf einem Unterraum definiertes Funktional derart auf den gesamten Raum fortsetzen kann, dass gleichzeitig Linearität und Beschränktheit erhalten bleiben.
Christian Clason
9. Adjungierte Operatoren
Zusammenfassung
Ähnlich wie ein normierter Vektorraum durch seinen Dualraum charakterisiert wird, wird auch ein linearer Operator durch einen ,,dualen“ Operator charakterisiert.
Christian Clason
10. Reflexivität
Zusammenfassung
Wie wir in den letzten Kapiteln gesehen haben, ist der Dualraum.
Christian Clason
11. Schwache Konvergenz
Zusammenfassung
Wir kommen nun zu der versprochenen Verallgemeinerung der komponentenweisen Konvergenz auf unendlichdimensionale Vektorräume.
Christian Clason

Kompakte Operatoren in Banachräumen

Frontmatter
12. Kompakte Operatoren
Zusammenfassung
Wie wir gesehen haben, besitzt nur in endlichdimensionalen Räumen jede beschränkte Folge eine konvergente Teilfolge.
Christian Clason
13. Die Fredholm-Alternative
Zusammenfassung
Wie wir gesehen haben, sind kompakte Operatoren in unendlichdimensionalen Räumen nie invertierbar, da der Bildbereich in gewisser Weise zu klein ist.
Christian Clason
14. Das Spektrum
Zusammenfassung
Ein wesentliches Werkzeug in der linearen Algebra sind Eigenwerte und Eigenvektoren eines linearen Operators.
Christian Clason

Hilberträume

Frontmatter
15. Skalarprodukte und Orthogonalität
Zusammenfassung
Besonders weitreichende Aussagen über lineare Operatoren sind in Hilberträumen möglich, in denen zu der algebraischen und topologischen Struktur von normierten Vektorräumen eine weitere geometrische Struktur hinzukommt
Christian Clason
16. Der Satz von Riesz
Zusammenfassung
Wir betrachten nun, wie sich die in Teil III beschriebene Dualitätstheorie in Hilberträumen verhält.
Christian Clason
17. Spektralzerlegung im Hilbertraum
Zusammenfassung
Eines der zentralen Resultate in der linearen Algebra ist die Existenz der Spektralzerlegung.
Christian Clason
Backmatter
Metadaten
Titel
Einführung in die Funktionalanalysis
verfasst von
Christian Clason
Copyright-Jahr
2025
Electronic ISBN
978-3-031-74714-4
Print ISBN
978-3-031-74713-7
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-031-74714-4